網架屋面與下部鋼框架結構整體計算方法

汪勇

博亞（福建）建筑設計有限公司（361000）

網架屋面與下部鋼框架結構整體計算方法

汪勇

博亞（福建）建筑設計有限公司（361000）

大跨度網架的應用越來越廣泛，獨立的簡化計算模型與邊界條件的假定已經無法滿足設計的要求，需要結合空間軟件對結構進行整體分析，因此，這里論述了網架屋面結構與下部鋼框架結構整體計算的重要性及實際計算方法。

網架屋面；下部鋼框架結構；整體計算

0 概述

20世紀以來，在全世界范圍內空間結構得到了很大的發展。所謂“空間結構”是相對平面結構而言，具有三維作用的特性，可以看作平面結構的擴展和深化。空間結構問世以來，以其高效的受力性能、新穎美觀的形式和快速方便的施工受到人們的歡迎。在需要大跨度及大空間的體育場館、會展中心、文化設施、交通樞紐、工業廠房，無不見到空間結構的蹤影。

目前,現有的網架計算方法是把網架和下部結構分開來計算。在分析時,把網架支座約束簡化為簡支,或有一定彈性剛度的支座,較少考慮下部支承結構體系對網架桿件的內力影響。對下部支承體系而言，上部網架的反力已不真實。隨著結構體系的多樣性和空間使用等需求的提高，獨立的簡化模型與邊界條件已經不足以滿足設計需求，需要結合大型空間結構設計軟件進行整體分析，才能更真實反映出結構實際受力特點。在現有大型結構計算軟件中，SAP2000、MIDAS等可以進行整體結構分析，但僅能驗算桿件單元是否滿足受力需要，無法輸出網架構件的零件表，針對這種情況。本文以實際工程案例，提出了一個網架與下部鋼框架結構整體計算的方法。

1 算例分析

1.1 概況

項目名稱為廈門市體育中心綜合健身館及育秀路公共停車場其子項工程綜合健身館，項目位于廈門市思明區湖濱北路中段以北的體育中心，本工程擬建項目主要為主樓及兩層純地下室組成。主樓高度為26.0 m（全鋼結構），長度178.9 m，寬度60.7 m，建筑面積20 254 m2。兩層地下室（鋼筋混凝土框架）開挖8.6 m，建筑面積33 350 m2。上部鋼結構主要為兩層（局部含夾層為三層），結構體系為鋼框架支撐。主要柱距為8.1 m。40.5 m上空的屋蓋為網架結構組成的輕鋼屋蓋,跨度為56.7 m×40.5 m,見圖1。

圖1 項目效果圖

1.2 設計參數

本工程抗震設防類別為乙類，抗震設防烈度為七度，設計基本地震加速度為0.15 g，地震分組為第二組。根據地質勘察報告，場地類別為III類，場地特征周期0.55 s，地震影響系數最大值0.12，抗震構造措施為八度。本工程基本風壓0.8 kN/m2。

圖2 剖面圖

1.3 計算分析

本工程鋼框架部分計算采用PKPM-SATWE、網架部分計算采用3D3S，整體組裝復核計算及輸出網架零件圖采用3D3S。主框架設計結果以PKPM-SATWE輸出為主要依據，網架設計結果以組裝3D3S模型輸出。

1）PKPM對于空間網架的輸入比較復雜,因此在采用PKPM軟件設計時應將屋面網架用剛性梁代替，用來模擬剛度及傳導荷載。在此模型中對結構主框架柱、樓層梁進行分析，本工程層間位移、扭轉等全部滿足結構要求。確定全部柱梁尺寸，主要截面為：柱截面B1200×800×36、B600×650×20、B800×25、梁截面B2000×800×20×25、B1250×500× 22×25、B900×400×20、B600×300×14、HN400×200× 8×13。

2）在3D3S中進行上部網架屋面結構建模，因上部屋面分為兩塊,因此建立了兩個單體網架模型。

3）因現有軟件接口問題，下部主體PKPM模型無法直接導入3D3S，只能先從PKPM導出至MIDAS，再從MIDAS導出至3D3S，最后將大小兩個網架3D3S模型合并到主結構3D3S模型中，如圖3所示，至此組合模型拼裝完成。后續工作就是按照3D3S網架設計流程，將下部主框架截面保持PKPM中計算結果不變，對網架桿件截面進行優化設計。網架桿件主要截面為：D60×3.5、D75.5×3.75、D88.5× 4、D114x4、D140×8、D159×10，在3D3S中輸出螺栓球材料表，螺栓，套筒，封板及錐頭材料表。

圖3 D3S組合模型軸測圖

4）對帶地下室PKPM計算模型、不帶地下室PKPM模型、3D3S組合模型這三種模型比較了相應周期數據，誤差在3%以內，因此可以認為3D3S組合模型正確。

三種模型周期數據如下：

表1 三種模型周期數據比較

2 結論

從以上分析過程及結果，網架屋面結構與下部鋼框架結構整體分析，3D3S組合模型周期計算結果誤差在3%以內,可以認為3D3S組合模型正確,計算方法可以運用于實際工程設計中，并且解決了網架單元零件圖設計出圖的需要，提高了工程計算準確性。

從以上分析過程及結果，網架屋面結構與下部鋼框架結構整體分析，3D3S組合模型周期計算結果誤差在3%以內,可以認為3D3S組合模型正確,計算方法可以運用于實際工程設計中，并且解決了網架單元零件圖設計出圖的需要，提高了工程計算準確性。